Спектрометр ионов Советский патент 1979 года по МПК H01J39/34 

(54) СПЕКТРОМЕТР ИОНОВ

3

блока 13 подключен генератор 14 пилообразного напряжения, а выход блока 13 соединен через блок 15 коррекции с регистратором 16, к которому подключен генератор пилообразного напряжения. Последйий соединен также с блоком 5 управления ионным затво ром. , , .

На фиг.2 приведены зависимости напряжения от времени : а - на выхода генератора 14;б - на выходе блока 5; в - .зависимость тока Г от времени t на входе усилителя 11; г - зависимость средней скорости приращения TOKaAi/it от времени t на выходе блока 12; . д - зависимость среднего ускорения приращения тока Л ()oт времени на выходе, блока 13.

Аспйрационная ионная камера .может быть как плоской/.так и цилиндрической, HCi поскольку расчетные соотношения у них различны, при описании работь спектрометра ионов будем рассматривать плоскую аспйрационную ионную камеру . . . ; .

При работе спектрометра корпус i заземлен, на электроды ионного фильтра 2 подано напряжение от источника

3питания такой величины, чтббы все ионы, которые попадают в ионный фильтр вместе с.воздухом илйгазЬм, осаждались в ионном фильтре и не проХодили в рабочий объем аспирацйонной ионной камеры.Если на ионный затвор

4от блока управления 5 не подано напряжение, то ионы вместе с воздухом пройдут внутрь аспнрацибнной ионной камеры через щель между ионнь 5 фильтром 2 и ионнйм эатворо1й 4. Если

же на ионный затвор подано иайряже-; ние, то воздух или газ будет полностью деионизирова;н, и ионы вйутрь аспирацйонной ионной камеры не пройдут. Для тогЬ( чтобы можно было точно определить спектр подвйясйОстёй ИОНОВ, рабочий объем аспирацйонной ионной камеры ограничен сглаживакядими электродами 6 и 7, на которые через дёлитель 8 напряжения о источника 9 постоянного напряжения подано напря ясёнйе; . . . .- . .

°и

1);

(а)- . . - : где tF{j})- веййчйнё налряжеййя на

электроде 6 или 7, расположенном на расстоянии у от корйуса I/

UQ- раэностб п6тёнцйал:дв к6 пу са 1 и собирающего электрода 10;

d- расстояние мезаду корпусом 1 и собирающим электр.6дом ГО. .

При вйполйёйий условия (1) потенциал в любой точке, ограниченной корпусом 1 и электродами 6,7,10, будет соответствовать выражению (1).

Итак, если.к йонйому затвору 4 не приложено напряжение от блока 5 управления, то в рабочий объем аспирацйонной ионной камеры будет про4

bbl650

ходить узкая полоса ионизированного газа, ионы которого под действием электрического Поля, созданного меход корпусом 1, сглаживающими электродами б и 7, подключенными через делитель 8 напряжения к источнику 9 постоянного напряжения, и собирающим электродом 10, подключенным чере

:усилитель 11 к тому же источнику постоянного напряжения, устремятся, в

зависимости от знака заряда, либо к корпусу 1, либо к сибирающему электроду 10. Те ионы, которые уйдут на корпус 1, в измерении не участвуют. Первые же ионы, устремившиеся к собирающему электроду Ю, наведут на нем ток, который будет изменяться в соответствии с кривой на фиг,2,в. Поскольку ионы с разной подвижностью имеют разную скорость движения под -действием электрического поля, то и траектории у них будут разные. Время от момента входа иона в рабочий объем до момента осажде ния иона на собирающий электрод

«

где К - подвижность иона lcfJ /в сек

Поскольку после входа первых ионов в рабочий объем их количество все время растет, то растет и ток через собирающий электрод 10 до тех пор, пока первые ионы с наибольшей подвижностью не коснутся собиранйцего электрода (момент , фиг.2,в) . В этот момент в кривой тока появится изгиб, ток начйёт растя медпейнее, только за счет более тяжелых ионов. ЕСЛИ в газе присутствуют ионы только двух подвижностей, то как только первые ионы с меньшей подаижноозью коснутся собирающего электрода 10, в кривой тока появится второй изгиб (момент Т, фиг.2,в), и ток станет постоянным, поскольку количество . ионов, вновь попадающих в рабочий объем, равно количеству ионов, осе. дающих на собирающий электрод. Усиленный усилителем 11 ток попадает на вход блока 12 определения средних значений первой производной приращения тока за фиксированный интер- ; вал времени, сигнал на выходе которо го изображен на фиг.2,г. .

Дифференцировать ток нельзя из-за йаложения на него шума (на кривых он не показан). А определение средней величины приращения тока за фиксированный- интервал времени позволяет . усреднить шумовой сигнал, причем фиксированный интервал времени At можно изменять в зависимости от ам плитуды шума. С блока 12 сигнал (фиг.2,г) попадает на вход блока 13 определения средней величины приращения тока (второй производной приращения) Д(д4/ it) (фиг.2,д). Концентрация ионов и их подвижность описываются выражениями: „ -и1й) где ni - концентрация ионов с подви ностью ; UQ скорость потока газа; е 1,6. заряд иона. Поскольку в оба выражения (3) и (4) входит одни и тот же параметр T для обработки сигнала необходим ген ратор,- напряжение на выходе которог пропорционально времени Т} . Эту функцию и выполняет генератор 14 пилообразного напряжения, сигнал ко торого подается на блок 13 и регист ратор 16, и одновре енно, для синхронного управления работой спектроме ра ионов, на блок 5 управления ирнньш затвором (фиг.2,а). С выхода блока 13 сигнал поступа ет на вход блока 15 коррекции , в котором производится умножение его на величину l/eVo / после чего сигнал поступает на регистратор 16. Если в качестве регистратора 16 при менен самописец, то в нем запись по одной координате соответствует . выражению (3), а по другой координа те-выражению (4), т.е. получают зависимость концентрации ионов от величины, обратной подвижности. В мсалент t j (фиг.2,б) от блока 5 управления ионным затвором на ионный затвор 4 поступает напряжени запирания ионного затвора. Доступ ионов в рабочий объем прек1рЗ щается. йо поскольку в рабочем объе ме ионы есть, то со временем их кол чество начнет уменьшаться за счет осаждения на собирающий электрод 10 поэтому ток через этот электроднач нет падать (момент Тз, фиг.2,в),. Первыми полностью осядут самые подвижные ионы, и в кривой тока появится иЗгиб (момент Т4., фиг.2,в), ток будет-уменьшаться медленнее, затем осядут все оставшиеся ионы (момент Tf, фиг. 2, в), и ток станет, равным нулю.Поскольку форма и длительно переднего и заднего Фронтов импульса тока (фиг.2,в) идентичны (если задний фронт импульса развернуть на 180°) , то они несут и одинаковую информацию о спектре, что и отмечено на фиг.2,г и 2,д (графики здесь перевернуты, так как это нетрудно сделать электрическими методами в блоках 12 и 13-) .Дальше блок управления 5 ионным затвором снова снимает напряжение сИОННОГО затвора, и процесс измерения повторяется. Изменением скорости потока таза о mi потенциала Ug можно, как и в прототипе, регулировать ширину измеряемого спектра. . Принципиальным отличием предложенного спектрометра ионов от прототипа является то, что в нем время регистрации спектра равно времени переходного процесса в аспирационной ионной камере, в то время как в прототипе переходной процесс является вредным явлением, и измерение спектра происходит только после окончания переходного процесса. Применение предложенного спектрометра позволяет сократить время регистрации спектра ионов, и значительно уменьшить влияние шумов на точность измерения. Формула изобретения Спектрометр ионов, содержащий аспирационную ионную камеру, сое|дийенную с усилителем, -источник пос;тоянного напряжения и регистратор, о т л и ч а ю щ и ft с я. тем, что, с целью с лсращения времени измерений, он снабжен ионным затвором с блоком Управления, генератором пилообразного напряжения, блрками. определения средних значений первой и второй производной прираадения сигнала за фиксированный промежуток времени, причем указанный генератор соединен с блоком определения второй производной, блоком управления иоян1 1 затвором и регистраторе.. , Источники информации, принятые во внимание при экспе| тизе Д.Такмет Х.Ф., Аспирационный метод измерения Спектра пОдвижностей аэроиЬнов.5 1е1йае записки ТГУ, вып,195. Тарту, 1967, с. 153-163. 2. Авторское Свидетельство СССР 236065, кл. 5 01W1/16, 1967.

Газ

Фиг.1

Фиг. г